Kvantemekaniske ormehuller udfylder huller i sort hul-entropi – Physics World

Kvantemekaniske ormehuller udfylder huller i sort hul-entropi – Physics World

Tidsstempel: 25. april 2024 kl. 4


Kunstnerens skildring af et sort hul omgivet af en spiral af glødende stof
Bag sløret: Et sort huls begivenhedshorisont indeholder et uendeligt antal mikrotilstande, men at udtrykke disse mikrotilstande i form af et endeligt sæt af repræsentative kvantesuperpositioner gør det muligt at kvantificere entropien indeni. (Med høflighed: Shutterstock/oorka)

En ny teoretisk model kunne løse et 50 år gammelt puslespil om sorte hullers entropi. Modellen er udviklet af fysikere i USA, Belgien og Argentina og bruger konceptet med kvantemekaniske ormehuller til at tælle antallet af kvantemikrotilstande i et sort hul. De resulterende optællinger stemmer overens med forudsigelser lavet af den såkaldte Bekenstein-Hawking entropiformel og kan føre til en dybere forståelse af disse ekstreme astrofysiske objekter.

Sort hul termodynamik

Sorte huller får deres navn, fordi deres intense tyngdekraft fordrejer rumtiden så meget, at ikke engang lys kan undslippe efter at have trængt ind i dem. Dette gør det umuligt at observere, hvad der foregår inde i dem direkte. Men takket være det teoretiske arbejde udført af Jacob Bekenstein og Stephen Hawking i 1970'erne, ved vi, at sorte huller har entropi, og mængden af ​​entropi er givet af en formel, der bærer deres navne.

I klassisk termodynamik opstår entropi fra mikroskopisk kaos og uorden, og mængden af ​​entropi i et system er relateret til antallet af mikrotilstande i overensstemmelse med en makroskopisk beskrivelse af det system. For kvanteobjekter tæller en kvantesuperposition af mikrotilstande også som en mikrotilstand, og entropi er relateret til antallet af måder, hvorpå alle kvantemikrotilstande kan bygges ud af sådanne superpositioner.

Årsagerne til sort hul-entropi er et åbent spørgsmål, og en rent kvantemekanisk beskrivelse har hidtil undgået videnskabsmænd. I midten af ​​1990'erne udledte strengteoretikere en måde at tælle et sort huls kvantemikrotilstande på, som stemmer overens med Bekenstein-Hawking-formlen for visse sorte huller. Deres metoder gælder dog kun for en særlig klasse af supersymmetriske sorte huller med fint afstemte ladninger og masser. De fleste sorte huller, inklusive dem, der opstår, når stjerner kollapser, er ikke dækket.

Ud over horisonten

I det nye arbejde udviklede forskere fra University of Pennsylvania, Brandeis University og Santa Fe Institute, alle i USA, sammen med kolleger ved Belgiens Vrije Universiteit Brussel og Argentinas Instituto Balseiro en tilgang, der giver os mulighed for at kigge ind i et sort huls indre. Skriver ind Physical Review Letters, de bemærker, at der findes et uendeligt antal mulige mikrotilstande bag et sort huls begivenhedshorisont – grænsefladen, hvorfra intet lys kan undslippe. På grund af kvanteeffekter kan disse mikrotilstande lidt overlappe via tunneler i rumtid kendt som ormehuller. Disse overlapninger gør det muligt at beskrive de uendelige mikrotilstande i form af et endeligt sæt af repræsentative kvantesuperpositioner. Disse repræsentative kvantesuperpositioner kan til gengæld tælles og relateres til Bekenstein-Hawking entropien.

Ifølge Vijay Balasubramanian, en fysiker ved University of Pennsylvania, der ledede forskningen, holdets tilgang gælder for sorte huller af enhver masse, elektrisk ladning og rotationshastighed. Det kunne derfor tilbyde en fuldstændig forklaring på den mikroskopiske oprindelse af sorte huls termodynamik. Efter hans opfattelse er sorte huls mikrotilstande "paradigmatiske eksempler på komplekse kvantetilstande med kaotisk dynamik", og holdets resultater kan endda indeholde lektioner for, hvordan vi tænker om sådanne systemer generelt. En mulig udvidelse ville være at søge efter en måde at bruge subtile kvanteeffekter til at detektere sorte huls mikrotilstande uden for horisonten.

Juan Maldacena, en teoretiker ved Institute for Advanced Study i Princeton, USA, som ikke var involveret i denne undersøgelse, kalder forskningen for et interessant perspektiv på sorte huls mikrostater. Han bemærker, at det er baseret på beregning af statistiske egenskaber for overlapningen af ​​sorte huls rene tilstande, der er forberedt via forskellige processer; mens man ikke kan beregne det indre produkt mellem disse forskellige tilstande, gør gravitationsteorien, gennem ormehulsbidrag, det muligt at beregne statistiske egenskaber for deres overlap. Svaret, siger han, er statistisk af natur og i samme ånd som en anden beregning af sort hul-entropi udført af Hawking og Gary Gibbons i 1977, men det giver et mere levende billede af de mulige mikrotilstande.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden